徐存寶，王雪梅，倪文波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

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膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

徐存寶，王雪梅，倪文波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

分析膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部的導(dǎo)向機(jī)理、脫軌機(jī)理，介紹電車3種類型的動(dòng)力走行部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。為研究導(dǎo)軌電車的輪軌關(guān)系，對(duì)其動(dòng)力走行部的脫軌機(jī)理展開(kāi)試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)可以模擬電車空載和滿載條件，以及直線、曲線通過(guò)工況。通過(guò)測(cè)量導(dǎo)向輪的橫向力、垂向力和垂向位移3個(gè)參數(shù)，研究分析導(dǎo)軌電車導(dǎo)向、脫軌機(jī)理，并建立相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)臺(tái)為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化及電車運(yùn)行安全的提升提供保障。

膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車；滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)；動(dòng)力走行部；設(shè)計(jì)

隨著城市化的發(fā)展、人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),以及對(duì)出行舒適性和便捷性要求的提高，現(xiàn)代有軌電車又重新得到了應(yīng)用?，F(xiàn)代有軌電車主要分為鋼輪鋼軌式有軌電車和膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車兩種類型[1]，其中膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車采用膠輪驅(qū)動(dòng)，只需要一根中央導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，電車的重力由走行膠輪承載，因此導(dǎo)向輪對(duì)鋼軌路基的受力要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼輪鋼軌式有軌電車，大大降低了線路建設(shè)周期和成本。目前膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車的主要生產(chǎn)廠家是法國(guó)的LOHR公司和加拿大的Bombardier公司[2]。世界首輛膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車在2001年2月在法國(guó)南錫市(Nancy)投入運(yùn)行后便得到了社會(huì)的密切關(guān)注。

動(dòng)力走行部是膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車最為關(guān)鍵的部件，其導(dǎo)向性能決定了電車的曲線通過(guò)性能與安全性能。動(dòng)力走行部上的導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌接觸，導(dǎo)向輪在導(dǎo)向軌上不脫軌是電車安全運(yùn)行的基本要求。膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車脫軌機(jī)理與傳統(tǒng)輪軌形式的電車不同，目前尚無(wú)公開(kāi)的關(guān)于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車脫軌機(jī)理的研究文獻(xiàn)，因此在對(duì)其展開(kāi)研究的過(guò)程中，試驗(yàn)研究必不可少。本文將通過(guò)分析其導(dǎo)向機(jī)理，對(duì)其試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)展開(kāi)研究。

1 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部導(dǎo)向原理及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型

膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部導(dǎo)向原理如圖1所示。電車運(yùn)行時(shí)，走行部上的前導(dǎo)向輪鎖定滑塊鎖定前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪鎖定滑塊解鎖后導(dǎo)向輪。當(dāng)電車需要轉(zhuǎn)向時(shí)，與線路曲率一致的導(dǎo)向軌通過(guò)與前導(dǎo)向輪輪緣之間的擠壓產(chǎn)生導(dǎo)向力，使前導(dǎo)向輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)向桿控制動(dòng)力走行部上的走行膠輪轉(zhuǎn)向，使電車沿導(dǎo)向軌設(shè)定的路線行駛。

圖1 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)原理

如何保證導(dǎo)向輪不脫離導(dǎo)向軌是電車導(dǎo)向的關(guān)鍵。因此世界上的膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車的動(dòng)力走行部都設(shè)計(jì)了獨(dú)特的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖2所示的分別是LOHR公司的Translohr型(a)和Bombardier公司的TVR型(b)，以及中車四方車輛有限公司提出的一種帶有鉤形裝置保護(hù)的雙輪緣新型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(c)。導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌的接觸方式是3種結(jié)構(gòu)的主要差別。Translohr型有軌電車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使用了2個(gè)導(dǎo)向輪，且導(dǎo)向軌的截面與傳統(tǒng)導(dǎo)向軌不同，2個(gè)導(dǎo)向輪成V字形排布,在導(dǎo)向軌兩側(cè)完成對(duì)動(dòng)力走行部的導(dǎo)向功能；TVR型導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌的接觸方式類似于傳統(tǒng)輪軌關(guān)系，導(dǎo)向輪通過(guò)加高的雙輪緣結(jié)構(gòu)使其不易脫離導(dǎo)向軌；新型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在TVR型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了鉤形保護(hù)裝置，鉤形保護(hù)裝置在導(dǎo)向輪跳離導(dǎo)向軌時(shí)通過(guò)鉤住導(dǎo)向軌軌頭阻止導(dǎo)向輪進(jìn)一步跳離導(dǎo)向軌，從而提高動(dòng)力走行部運(yùn)行時(shí)的安全性能。

圖2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意

2 導(dǎo)向輪脫軌機(jī)理分析

電車運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)力走行部上的導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌直接接觸，在導(dǎo)向軌上滾動(dòng)運(yùn)行。導(dǎo)向輪不脫離導(dǎo)向軌是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。目前尚無(wú)關(guān)于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車脫軌的標(biāo)準(zhǔn)，因此可借鑒軌道交通車輛關(guān)于脫軌的標(biāo)準(zhǔn)，判斷軌道車輛脫軌的主要參數(shù)是輪對(duì)的橫向力Q和垂向力P的比值。國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC規(guī)定用Q/P作為脫軌安全性標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Q/P≤1.2時(shí)認(rèn)為車輛運(yùn)行是安全的[3]。同樣導(dǎo)向輪的橫向力與垂向力的比值也可作為判斷獨(dú)軌電車脫軌的參數(shù)，導(dǎo)向輪的橫向力與垂向力的比值越大越容易脫軌。膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車導(dǎo)向輪的垂向力主要由走行部上的壓緊彈簧提供，增大導(dǎo)向輪壓緊彈簧的壓緊力，對(duì)防止脫軌、增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的安全性是有利的，但是壓緊力過(guò)大會(huì)加快導(dǎo)向輪和導(dǎo)向軌之間的磨耗。文獻(xiàn)[4]提出了一種新的判斷車輛脫軌安全裕度的方法，也就是導(dǎo)向輪相對(duì)于導(dǎo)向軌的垂向位置變化，該理論指出當(dāng)導(dǎo)向輪的抬升量超過(guò)輪緣高度時(shí)，即使很小的橫向擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致脫軌?；谏鲜龅睦碚摵图僭O(shè)，導(dǎo)向輪的橫向力、垂向力及其垂向位移是研究膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部的輪軌關(guān)系的重要參數(shù)。由于導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu)、尺寸、受力情況與列車輪對(duì)不同，因此要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車不脫軌時(shí)的最大橫向力與垂向力的比值(脫軌系數(shù))、導(dǎo)向輪最大垂向抬升量。目前尚無(wú)測(cè)試以上指標(biāo)的試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模仿真分析，在理想軌道上導(dǎo)向輪最大導(dǎo)向力≤5 kN，導(dǎo)向輪壓緊力為20 kN，若考慮軌道不平順等因素，此類型電車的脫軌系數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于0.4，。另外，當(dāng)導(dǎo)向輪抬升量小于導(dǎo)向輪輪緣高度20 mm時(shí)，認(rèn)為電車沒(méi)有脫軌。

3 試驗(yàn)臺(tái)方案

基于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部導(dǎo)向機(jī)理以及導(dǎo)向輪脫軌機(jī)理的分析，與中車四方車輛有限公司一起設(shè)計(jì)了電車動(dòng)力走行部試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)?dòng)力走行部的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，包括不同速度、不同荷載、以及運(yùn)行過(guò)程中不同軌道不平順的工況，尤其是電車曲線通過(guò)導(dǎo)向軌時(shí)的工況。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)兩部分組成。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)

膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)采用地坑式設(shè)計(jì)，地坑內(nèi)是試驗(yàn)臺(tái)主體，地上放置龍門架和被測(cè)試動(dòng)力走行部。試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)從上到下依次是軌道輪安裝底座、轉(zhuǎn)動(dòng)器、垂向激振液壓缸安裝支架和曲線導(dǎo)軌安裝底座。

圖3 動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)

軌道輪安裝底座用于安裝軌道輪和三相交流變頻電機(jī)。為了模擬導(dǎo)向輪在導(dǎo)向軌上的運(yùn)動(dòng)，用與導(dǎo)向軌相同軌頭輪廓的軌道輪代替導(dǎo)向軌，通過(guò)導(dǎo)向輪在軌道輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬在無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)向軌上的滾動(dòng)。三相交流變頻電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與軌道輪連接在一起，可以模擬電車0～100 km/h的運(yùn)行速度。

轉(zhuǎn)動(dòng)器上端通過(guò)豎直放置的4個(gè)滑塊導(dǎo)軌與軌道輪安裝底座連接在一起，底端與垂向激振液壓缸安裝支架頂端固定在一起，不僅可以實(shí)現(xiàn)軌道輪安裝底座與垂向激振液壓缸安裝支架之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且可以實(shí)現(xiàn)兩者之間的垂向相對(duì)移動(dòng)。地坑內(nèi)的垂向激振液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)器及以上部分作垂向振動(dòng)，與軌道譜保持同樣的振幅和頻率，模擬電車運(yùn)行時(shí)的軌道不平順。軌道輪安裝底座和垂向激振液壓缸安裝支架之間裝有電動(dòng)推桿，通過(guò)控制軌道輪安裝底座和垂向激振液壓缸安裝支架之間的相對(duì)角度，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輪與軌道輪之間的相對(duì)角度的控制，模擬電車轉(zhuǎn)向時(shí)導(dǎo)向輪和導(dǎo)向軌之間的沖角變化。

垂向激振液壓缸安裝支架通過(guò)曲線滑塊安裝在曲線導(dǎo)軌安裝底座上，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)主體沿一定曲率的曲線導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂妻D(zhuǎn)向角的電動(dòng)推桿與垂向激振液壓缸安裝支架通過(guò)耳環(huán)式連接，可以推動(dòng)垂向激振液壓缸安裝支架和軌道輪安裝底座一起沿曲線導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬動(dòng)力走行部轉(zhuǎn)向的工況。

曲線導(dǎo)軌安裝底座與地基之間通過(guò)調(diào)整墊鐵和地腳螺栓完成水平調(diào)整和固定。龍門架上裝有2個(gè)液壓缸，液壓缸通過(guò)假枕梁作用在被測(cè)試動(dòng)力走行部上的空氣彈簧上，通過(guò)控制液壓缸的加載力可以模擬電車空載和滿載的工況。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。在控制系統(tǒng)中，上位機(jī)通過(guò)通信電纜把控制信號(hào)傳輸給伺服液壓系統(tǒng)控制器、電動(dòng)推桿控制器、變頻器，從而完成對(duì)伺服液壓缸、電動(dòng)推桿和三相交流變頻電機(jī)的控制。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)導(dǎo)向輪的垂向力、橫向力和垂向位移等信號(hào)的采集。導(dǎo)向輪的垂向位移、垂向力可以由位移傳感器、力傳感器測(cè)得，導(dǎo)向輪的橫向力一般很難直接測(cè)得，可通過(guò)在動(dòng)力走行部上的轉(zhuǎn)向臂上貼應(yīng)變片的方法換算得到，動(dòng)力走行部轉(zhuǎn)向臂上測(cè)量得到的力與導(dǎo)向輪橫向力之間的關(guān)系如式(1)所示。采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理器調(diào)理后由DAQ數(shù)據(jù)采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，之后傳輸給上位機(jī)。膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控方案如圖4所示。

圖4 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控方案

式中F橫——導(dǎo)向輪橫向力，N；

F右——右轉(zhuǎn)向桿上的力，N；

F左——左轉(zhuǎn)向桿上的力，N；

α——導(dǎo)向輪與右轉(zhuǎn)向桿之間的夾角，rad；

ρ——導(dǎo)向輪與左轉(zhuǎn)向桿之間的夾角，rad；

L1——轉(zhuǎn)向桿與轉(zhuǎn)軸之間的距離，mm；

L2——轉(zhuǎn)向桿與導(dǎo)向輪之間的距離，mm。

4 試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)及試驗(yàn)項(xiàng)目介紹

由于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計(jì)的滾振試驗(yàn)臺(tái)要與被試驗(yàn)的動(dòng)力走行部相匹配。試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)模擬運(yùn)行時(shí)導(dǎo)向輪在線路激擾下的性能分析動(dòng)力走行部的性能。對(duì)被測(cè)試動(dòng)力走行部可以

表1 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)

完成的試驗(yàn)包括：(1)0～100 km/h無(wú)沖角直線行駛性能測(cè)試；(2)0～100 km/h某一沖角工況下直線行駛性能測(cè)試；(3)某一速度工況下直線行駛最大沖角的測(cè)定；(4)無(wú)沖角不同速度工況下最大轉(zhuǎn)向角的測(cè)定；(5)某一沖角不同速度工況下最大轉(zhuǎn)向角的測(cè)定；(6)0～50 km/h無(wú)沖角不同轉(zhuǎn)向角工況下曲線通過(guò)性能測(cè)試；(7)0～50 km/h某一沖角不同轉(zhuǎn)向角工況下曲線通過(guò)性能測(cè)試。通過(guò)以上試驗(yàn)及采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以研究導(dǎo)向輪脫軌時(shí)的橫向力和垂向力的比值和導(dǎo)向輪垂向位移量之間的關(guān)系，從而為研究膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部脫軌機(jī)理提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動(dòng)力走行部導(dǎo)向機(jī)理的分析，完成了動(dòng)力走行部滾振試驗(yàn)臺(tái)的方案設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)可以模擬電車直線和曲線通過(guò)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠采集該狀態(tài)下動(dòng)力走行部上導(dǎo)向輪的橫向力、垂向力和垂向位移等信息，分析其導(dǎo)向性能。試驗(yàn)臺(tái)不僅為電車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了試驗(yàn)條件，而且為今后設(shè)計(jì)膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車整車試驗(yàn)臺(tái)提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)一步通過(guò)改變激振液壓缸的激振譜，可以反向研究電車的導(dǎo)向軌鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)更換電車走行膠輪與試驗(yàn)臺(tái)之間的接觸材料，還可以研究不同路面材料與走行膠輪之間的磨耗關(guān)系。

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Rolling Vibration Test-rig Designed for Power Running Gear of Rubber-tired Tram

XU Cun-bao， WANG Xue-mei， NI Wen-bo

(School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The paper analyzes the steering mechanism and derailment mechanism of the power running gear of rubber-tired tram， and introduces three kinds of guiding structures of the power running gear. The rolling vibration test-rig is designed to understand the wheel-rail relationship of the steering mechanism. The rolling vibration test-rig is designed to simulate the no-load and full load conditions running on straight and curve lines. The working steering mechanism and derailment mechanism of the power running gear are studied and analyzed by the measurement of the guiding rollers’ lateral force， vertical force and vertical displacements， and relevant evaluation criteria are then established. This test-rig helps improving guiding structures and operational safety of the tram．

Rubber-tired tram; Rolling vibration test-rig; Power running gear; Design

2016-04-23；

2016-05-10

中車四方車輛有限公司科研課題(SFC2 015KF-JK-005)

徐存寶(1990—)，男，碩士研究生，主要從事軌道車輛走行部及整車滾振試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，E-mail：xucunbao904@163.com。

1004-2954(2016)12-0149-04

U482.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.033